Библиографическое описание:

Симбирев О. В., Рудаков И. В., Чечулин В. Д. Аэродинамика различных конфигураций лопаток ротора Савониуса // Молодой ученый. — 2016. — №22.3. — С. 46-50.



Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

В статье рассмотрены проблемы применения ветроэнергетических установок, различных назначений, с использованием электрогенератора. Проанализированы наработки научного сообщества в сфере роторных ветроэнергетических агрегатов. Подтверждена актуальность применения ветроэнергетических агрегатов для выработки электрической энергии. Определены ключевые вопросы, затрудняющие использование ветроэнергетических агрегатов в ветроэнергетике, и направления их разрешения. Приведены перспективные пути развития и условия применения ветроэнергетических агрегатов.

Ключевые слова: ветроэнергетические агрегаты, альтернативные источники энергии, ветроэнергетика, ротор Савониуса.

По опыту США, технологии ветроэнергетики активно развивались по 1930-е годы, когда около 600000 ветряных мельниц поставлялось в сельские районы с электричеством и насосными агрегатами. После повсеместного распространения электроэнергии по фермам и провинциальным городам, использование энергии ветра в США шло на убыль. К середине 1980-х годов,типичные ветровые турбины имели максимальную мощность 160 кВт [1].

Современные ветряные турбины имеют два базовых конструктива: с вертикальной осью вращения (VAWTs–VerticalAxisWindTurbine) и горизонтальной осью вращения (HAWTs–HorizonAxisWindTurbine).

Простейшая ветроэнергетическая турбина состоит из трех частей:

1. Лопасти ротора – выступают в качестве преград на пути набегающего воздушного потока. Когда воздушный поток двигает лопасти турбины, он передаёт часть своей энергии ротору.

2. Вал – ось турбины, соединенная с ротором.

3. Генератор – вырабатывает электрическую энергию [2].

В конструкциях роторных ветроэнергетических агрегатов, в качестве лопаток применяются разнообразные изогнутые поверхности. Одним из примеров такой конструкции является ротор Савониуса [3]. Лопатки этой установки имеют форму полуцилиндров, однако они размещаются не так как у карусельных ветроэнергетических установок. Как показано на рисунке 1, энергия воздушного потока используется более рационально, поэтому коэффициент использования энергии ветра у такого ветроколеса в 1,5 раза больше чем у карусельных аналогов. Данная конструкция обладает рядом преимуществ:

Лабиринт - низкий уровень шума;

- широкий диапазон рабочих ветров;

- малая площадь установки.

Существенным недостатком данной конструкции является низкая частота вращения ветроколеса (не более 400 об/мин).

Рис 1. Схема использования ветряного потока лопатками ротора Савониуса

Лопатки существующих лопаточных агрегатов, в зависимости от их применения, выполняемой задачей и средой эксплуатации, обладают самыми разнообразными конструкциями.

На конструктивную особенность лопатки оказывают влияние такие параметры, как плотность и вязкость среды, в которой они эксплуатируются. Следовательно, геометрические параметры лопаток гидравлических и пневматических агрегатов имеют большие различия. В связи с разностьюпроизводительности и эффективностью турбомашин, площадь поверхности лопаток пневматических машин может оказаться многократно больше лопаток гидравлических [4].

Различают 3 типа конструкций лопаток [5]:

рабочие;

спрямляющие;

поворотные.

Лабиринт Рис. 2. Виды лопаток: а) Рабочие; б) Спрямляющие; в) Поворотные

Помимо того, в компрессорных агрегатах могут применяться направляющие лопатки, а также входные направляющие лопатки, а в турбинных установках — сопловые лопатки и охлаждаемые.

В сельскохозяйственных районахлюбой страны сильно востребовано применение маломощных ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые отличались бы простотой конструкции и обслуживанием, для которых не важно направление ветрового потока, а также являлись бы пригодными к производству в короткие сроки и имели низкую стоимость.

Мощный ветродвигатель (ВД) имеет большие габаритные параметры, однако его можно заменить на несколько более малых, не потеряв при этом производительность. Кроме традиционных крыльчатых ВЭУ и их ортогональных разновидностей известны и ВД, принципиально отличающиеся от них своим простым кинематическим построением [6]. Среди таковых выделяются ветродвигатели карусельного и роторного класса, у которых ветроколеса установлены на вертикальных осях. Они совершают единственно простейшее вращательное движение и не требуют применения дополнительных устройств ориентации «на ветер», что очень существенно для приземных потоков [7]. Это крайне важно, поскольку такие ветродвигатели могут работать в условиях «некачественного» ветрового режима: малоскоростного, быстро изменяющегося по направлению – рыскающего ветра с турбулентным характером движения воздушных потоков. Такими свойствами и обладает приземный ветер, а, следовательно, нет необходимости устанавливать такие ветродвигатели на высоких и дорогих башнях. Такие ВД наиболее просты в эксплуатации. Их конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы [8].


ветродвигатель, патент № 2497021

ветродвигатель, патент № 2497021 ветродвигатель, патент № 2497021 ветродвигатель, патент № 2497021

Рис.3. Ветродвигатели карусельного класса:1 - вертикальный вал; 2 - центальный барабан; 3 - лопасти; 4 - эжектор; 5 - направляющий аппарат-статор

С увеличением нагрузки угловая скорость уменьшается, а полезный от ветра вращающий момент возрастает вплоть до полной остановки ветроколеса. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Поэтому, в отличие от крыльчатых, такие ВД свободно запускаются «на ход» даже при малой скорости ветра. Примечательно, что эти ВЭУ тихоходны и им не страшны бури и ураганы. Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество по сравнению с традиционными ветряками. К классу карусельных относят ВД, у которых нерабочие лопасти, двигающиеся навстречу ветру,либо прикрываются ширмой (заслонкой), либо каким-либо образом располагаются (ориентируются) ребром против ветра во флюгерное положение. Исторически существует много теоретических конструкций подобных устройств, но практическая реализация таких ветродвигателей в последнее время малоизвестна [9].

У ВД класса роторных (лопастных) жесткие рабочие лопасти имеют изогнутые формы. У такого ротора коэффициенты аэродинамического сопротивления потоку ветра для направленных в сторону вращения вокруг единой оси лицевых выпуклых и противоположно ориентированных тыльных вогнутых сторон лопаток отличаются друг от друга по величине. При напоре ветра определяется появление крутящего момента из-за неуравновешенности сил, возникающих на тыльных и лицевых сторонах этих противоположно относительно оси вращения разнесенных лопастей и определение работоспособности известных ветродвигателей вне зависимости от горизонтального направления движения потока воздуха без применения каких-либо дополнительных ориентирующих устройств. Кроме силы аэродинамического сопротивления известный ветряк приводится в движение за счет подъемной силы, возникающей за счет потоков ветра, обтекающего его выпуклые лицевые стороны. При этом на выпуклых поверхностях лопастей турбины создается зона разряжения, а на вогнутых поверхностях – зона повышенного давления [10].

Среди множества конструкций таких преобразователей энергии наиболее известны конструкции щелевых ВД Савониуса или винтроторов (ξ = 0,18), предложенных в 1926 году финским инженером Савониусом.

Как известно энергия ветра используется человеком с давних времен.В настоящее время лидером здесь является Европа. В Европе наибольшее распространение получили ветроустановки пропеллерного типа [11].

Применение же ветряков подобного типа во многих областях Российской Федерации не целесообразно. По данным, предоставленным Метеорологической учебной станцией ГОУ ОГУ средняя годовая скорость ветра составляет от 3 до 5 м/с, что не противоречит данным, взятым с карты распределения ветров на территории России. Но для эффективной работы ветряков пропеллерного типа нужен так называемый сильный ветер, т.е. ветер со скоростью более 10 м/с. Это обстоятельство говорит о необходимости применения либо многолопастного ветряка или использовать парус [12].

Так как ветер в некоторых регионах носит характер порывистого, то применение многолопастного ветряка очень затруднено, в силу того, что при достаточно сильном порыве ветра может произойти слом башни и т.п., чтобы этого не происходило необходимо использовать дополнительные приспособления (например, автоматическую систему защиты от ураганного ветра AutoFurl) или увеличивать габариты для увеличения прочности, либо применять более прочные материалы. Все вышесказанное приводит к удорожанию конструкции. Поэтому наиболее эффективным будет применения парусного ветряка. Ветряки этого типа вырабатывают электроэнергию даже при скоростях ветра менее 3 м/с, а при порывах производят их утилизацию. При этом ветряки этого типа могут быть как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Если рассматривать ветряк с вертикальной осью вращения, тоздесь наиболее выгодным является применение ротора Савониуса в гирлянде [13].

Лабиринт Выгодность объясняется тем, что гирлянда представляет собой несколько роторов Савониуса, насаженных на одну ось и повернутых друг относительно друга на некоторый угол, что обеспечивает снижение противодействия ветру и уменьшению толчков (пульсаций) во время вращения. Ктому же роторы подобного типа имеют коэффициент использования энергии ветра в пределах 30 … 35 % [14]. Если использовать подобную конструкцию в бытовых условиях, то она будет вырабатывать небольшую мощность. Но для потребителей больший интерес представляют ветродвигатели небольшой мощности: они более дешевы, легки в эксплуатации, их можно располагать на территории предприятия, у себя во дворе, так как они не занимают большой площади. Поэтому нужен такой элемент, который использовал бы полученную электроэнергию эффективно [15].

Из анализа патентов и научных статей можно сделать вывод, что к такому элементу можно отнести вихревой теплогенератор Потапова, позволяющий эффективно использовать энергию ветра.

Литература:

  1. Соломин Е. В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология, 2010, № 1. С. 10-15.
  2. Воронин С. М., Бабина Л. В. Работа ветроустановки при изменении направления ветра // Альтернативная энергетика и экология, 2010. – № 1. – С. 98-100.
  3. Беляков П. Ю., Доильницын В. В., Гончаров В. Н., Сапронов Н. В. Математическое моделирование ветроэнергетической установки с ротором циклоидного типа // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды межвузовской студенческой научно-технической конференции; Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2001.
  4. Zijlema M. On the construction of third-order accurate TVD scheme using Leonards normalized variable diagram with application to turbulent flows in general domains // Delft University of Technology: Technical Report DUT-TWI-94-104. - 1994. - 25 с.
  5. Редчиц Д. А. Алгоритм численного решения двумерных течений несжимаемой жидкости на основе уравнений Навье-Стокса и его верификация // ВесникДнепропетровського университета. Механика. – 2004. – Вып. 8. – Т. 1. – № 6. – С. 67-75.
  6. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Численное моделирование нестационарного течения в следе за цилиндром на основе уравнений Навье-Стокса // Прикладная гидромеханика. – 2005. – Т. 7. – № 1. – С. 56-71.
  7. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Численное моделирование эффекта Магнуса на основе уравнений Навье-Стокса // ВестникДнеропетровского университета. Механика. – 2005. – Т. 1. – № 7. – С. 40-60.
  8. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Численное моделирование дозвукового обтекания осциллирующего профиля на основе уравнений Навье-Стокса // Техническая механика. – 2006. – № 1. – С. 104-114.
  9. Приходько А. А., Редчиц Д. А. Компьютерное моделирование аэродинамики подвижных роторов ветроагрегатов Дарье и Савониуса // Аэрогидродинамика: проблемы и перспективы. – 2006. – Т. 2. – С. 120-142.
  10. Brochier G., Fraunie P., BeguierС.,Paraschivoiu I. Water channel experiments of dynamic stall on Darrieus wind turbine blades // Journal Propulsion. – 1986. –№. 2(5). –С. 445-449.
  11. Blackwell B.F., Sheldahl RE., Feltz L.V. Wind tunnel performance data for two- and three-bucket Savonius Rotors // Sandia National Laboratories Albuquerque. SAND76-0131. – 1976. –С. 105.
  12. Rung Т., Bunge U., Schatz ML, Thiele F. Restatement of the Spalart-Allmaras eddy-viscosity model in strain-adaptive formulation // AIAA Journal. – 2003. –№. 4 (7). - С. 1396-1399.
  13. Rogers S.E., Kwak D. An upwind differencing scheme for the time-accurate incompressible Navier- Stokes equations // AIAA Journal. – 1990. –№. 28(2). –С. 253-262.
  14. Templin R.J. Aerodynamic performance theory for the NRC vertical-axis wind turbine // National Research Council of Canada. Rep. LTR-160. – 1974. –С. 185.
  15. Strickland J.H. A vortex model of the Darrieus turbine: an analytical and experimental study // Sandia laboratories report SAND79-7058. – 1980. –С. 253.
Основные термины (генерируются автоматически): ветроэнергетических агрегатов, осью вращения, энергии ветра, основе уравнений Навье-Стокса, роторных ветроэнергетических агрегатов, горизонтальной осью вращения, вертикальной осью вращения, Редчиц Д, применения ветроэнергетических агрегатов, использования энергии ветра, ветроэнергетических установок, ротора Савониуса, скорости ветра, лопаток ротора Савониуса, лопаток гидравлических, использование энергии ветра, использование ветроэнергетических агрегатов, коэффициент использования энергии, Численное моделирование, увеличении скорости ветра.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос